「一片又一片、厚重的深藍色面板，平躺在大太陽底下閃閃發光著」，這應該是大多數人對於太陽能電池最深刻的印象，而這些日常生活中常見的太陽能板們，就是當前太陽能電池產業中，發展最久、技術最成熟的「傳統矽晶太陽能電池」。

除了廣為人知的矽晶太陽能電池之外，近年來在太陽能電池界，「染料敏化太陽能電池」（dye-sensitized solar cell, DSSC）可謂是冉冉升起的未來之星，比起厚重、昂貴的矽晶太陽能電池，染料敏化太陽能電池（後文皆簡稱之為染敏電池）不僅相對便宜、結構簡單，甚至可以做成透明、可撓式的模樣！

來自國立中興大學化學系的葉鎮宇教授，是臺灣國內研究染敏電池的頂尖學者，2011 年時，他與國際研究團隊合作，以紫質（porphyrin，卟啉）做為染料，研發出「YD」系列染料，將染敏電池的光電轉換效率從 11% 提升至 12.3% ，研究成果已刊登於該年11月的《科學》。

2020 年時，葉鎮宇與研究團隊又發表了新一代的紫質染料「bJS」系列，比起上一代的「YD」系列染料光電轉化效率又提高了 11.9％，刊登於2020 年 11 月的《應用化學》期刊，並且被選為非常重要論文 (VIP, Very Important Paper) ，其重要性為該期刊前 5％ 的論文。

本次科技大觀園特別採訪葉鎮宇教授，邀請葉教授與我們分享染敏太陽能電池的研發近況，帶我們看見太陽能電池的全新樣貌。

首先，葉鎮宇指出，若太陽能電池想要產業化、維持商業運轉的話，必須滿足兩個最基本的要求：高光電轉換率，以及高穩定性。光電轉換效率指的是該電池將光能轉換成電能的能力，而穩定性則是電池的耐用程度。
 

傳統矽晶太陽能電池主要應用於太陽直射的炎熱戶外，在室外有較佳的光電轉換效率，此外，由於在陽光底下曝曬時，表面溫度可高達五、六十度，因此太陽能電池的材料必須足夠穩定，才可以在炎熱的戶外使用，以矽晶太陽能電池為例，壽命大約在二十年左右，有著很不錯的穩定性。

而染敏電池並非專門用於在太陽直射的戶外，染敏電池的穩定性並不高，主要應用於室內弱光、半戶外。在室內弱光的條件之下，染敏電池的光電轉換效率非常高，可以高達 30%。

雖然矽晶太陽能電池在戶外的光電轉換效率、穩定性目前都比染敏電池高，但矽晶太陽電池有著相當致命的缺點：太貴啦！此外，矽晶太陽能電池的製作過程相對複雜且精密，不僅需要高溫、強酸、強鹼的參與，結構也相對複雜，製作過程耗損的能量需要兩到三年才可以平衡回來。

反之，染敏電池的結構非常簡單，製程與成本也相對簡便和便宜，在家裡的廚房就可以完成，同時也是各國高中科展的常見主題，只要製作得當，親手做的太陽能電池甚至可以驅動小馬達、讓小燈泡發亮，而且只需要短短六個月，就可以把消耗的能量「賺回來」！

此外，太陽能電池的污染議題也是大家關注的重點之一，矽晶太陽能不僅製程耗能、結構複雜，也會造成不少污染和廢棄物，而染敏太陽能電池所需的染料非常少，只需要不到 10 奈米的薄薄一層，加上二氧化鈦沒有毒性、構造簡單，汙染程度遠低於矽晶，是更「乾淨」的太陽能。

染敏電池的組成成分包含染料、工作電極、電解液以及對電極。

以葉鎮宇研究團隊所使用的染敏電池為例，它的工作電極由二氧化鈦的奈米顆粒組成，而二氧化鈦的上面會吸附一層薄薄的染料，並透過這些染料來吸收太陽光。當染料照光後，染料的電子會從基態躍遷到激發態，這些電子有機會成為自由電子跑到二氧化鈦，並隨著連接二氧化鈦的迴路到對電極，再透過電解質接收電子發生還原反應。

不難想像，染料在染敏電池中扮演舉足輕重的角色，如果染料設計得好，吸光範圍大、吸光強度又強的話，就可以吸收比較多的太陽光，也比較可能達成較高的光電轉換率。

整體而言，影響太陽能電池的光電轉換效率因素有三個：電流、電壓、填充因子。其中染料的吸光範圍會影響電流，電解液可以增加電壓，組裝的技術與填充因子有關，若電流高、電壓高、組裝技術好，光電轉換效率就會高，當前學術研究努力的方向，就是致力於找到提升電流與電壓的方式與材料。

在染敏太陽能電池中，若是電解液太靠近二氧化鈦，二氧化鈦上應該跑向對電極的電子，有可能會「逆流」跑向電解液，造成電荷再結合，就像是形成逆電流一樣，浪費能量，並讓電流、電壓下降、降低光電轉換效率，因此科學家們必須想辦法阻止電子的「逆流」。

葉鎮宇表示，由於電解液通常是帶電荷的，就像是具備「親水性」的特徵一樣，因此在 2011 年的研究成果中，葉鎮宇與團隊的「YD」系列染料，就是利用染料中的「長碳鏈」將染料設計成「疏水性」的，如此一來，當染料吸附在二氧化碳上之後，就像是在二氧化鈦上面蓋上一層油，如此一來，電解液和二氧化碳就不容易靠近，並且能抑制電子「逆流」，提高光電轉換效率。

比起「YD」系列染料，2020 年的「bJS」系列紫質染料再度突破，將原本的長碳鏈數目增加至 2 倍，就像是把原本的一道柵欄變成兩道柵欄，讓電子更難反向偷跑，使光電轉換效率更上一層樓。

染敏太陽電池的主力戰場在於室內的弱光，究竟為什麼「室內版本」的太陽能電池這麼值得令人期待呢？

大家不妨試想看看，未來，即將是 5G、物聯網的時代，各式各樣的物品都可能將需要連上網路、搭配不同的感應器，一棟建築物裡面甚至可能配有高達一萬多個感應器，倘若每一個感應器都需要接電線、換電池，那一定會是一場大災難！

然而，若染料敏化電池成功走向商業化，每一個感應器都可以搭配一個染敏電池、透過室內光自行發電，我們就會省去大幅的人力、時間成本，讓將來的生活更加便利。

此外染敏電池具備「可撓性」，這種可以扭曲的電池不僅可以當作電子紙的能量來源，搭配纖維的材質後，甚至可以成為可攜式電子裝置的一部分！由此可知，輕薄可扭曲的太陽能電池，很有可能會成為科技時代的重要角色之一呢。

目前染敏電池已經可以做得非常輕薄，以玻璃為材料時，厚度大約 0.5 公分，改以軟板為材料的話，雖然光電轉換效率會降低，但厚度可以達到 0.1 公分，更加輕盈，再加上染敏電池透明的、多彩的特性，以當前的技術，染敏電池已經可以製作成各式各樣的「太陽能窗戶」，更可以搭配不同顏色的染料，做出彩色的窗戶拼貼藝術。也許，整座大樓的窗戶都能發電的未來，真的不是夢！

雖然目前染敏太陽能電池無法完全取代矽晶，無論是光電轉換效率還是穩定性都有著很大的成長空間，但比起已經研究數十年矽晶，染敏太陽能電池還非常的「年輕」，具有相當的研究潛力，前景可期。

以現今的技術而言，染敏太陽能電池已經可以很有效率的在室內使用了，然而，在邁向商業化的道路上，染敏太陽能電池目前的價格尚有改善的餘地，需要科學家持續研發以及相關產業推廣，葉鎮宇表示，自己非常期待當染敏電池價格與一顆小電池相當的那一天！